JP2018040285A

JP2018040285A - エンジンシステム

Info

Publication number: JP2018040285A
Application number: JP2016174436A
Authority: JP
Inventors: 友規船津; Tomonori Funatsu; 徹水城; Toru Mizushiro; 仁志瀧川; Hitoshi Takigawa
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2016-09-07
Filing date: 2016-09-07
Publication date: 2018-03-15

Abstract

【課題】高過給時においても、ＥＧＲガスを吸気系に効果的に再循環させる。
【解決手段】エンジン１０の吸気通路２０と、エンジン１０の排気通路３０と、排気通路３０に設けられた第１タービン４１及び、吸気通路２０に設けられた第１コンプレッサ４２を含む第１ターボチャージャ４０と、排気通路３０から分岐すると共に、第１コンプレッサ４２よりも下流側の吸気通路２０に合流して、排気ガスの少なくとも一部を吸気通路２０に再循環させる再循環通路６１を含む排気再循環装置６０と、第１タービン４１よりも下流側の排気通路３０に設けられた第２タービン５１及び、再循環通路６１に設けられた第２コンプレッサ５２を含む第２ターボチャージャ５０とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンシステムに関し、特に、排気ガスの一部を吸気系に再循環させる排気再循環装置（Exhaust Gas Recirculation：以下、ＥＧＲ装置）を備えたエンジンシステムに関する。

従来、この種のエンジンシステムに搭載されるＥＧＲ装置として、ＥＧＲガスをコンプレッサやインタークーラよりも下流側の吸気系に再循環させる所謂高圧ＥＧＲ装置が広く実用化されている（例えば、特許文献１〜３参照）。

このような高圧ＥＧＲ装置においては、ＥＧＲ通路に逆止弁として機能するリードバルブを備えるものが知られている。リードバルブは、排気脈動圧によって排気側圧力が吸気側圧力よりも高くなる際にＥＧＲガスを流通させて吸気系に還流させつつ、排気側圧力が吸気側圧力よりも低くなる際に吸気の逆流を防止するように作用する。

特開２０１２−１２７２６６号公報特開２０１２−１１３９６０号公報特開２０１２−１４９６１０号公報

一般的に、高圧ＥＧＲ装置は、ＥＧＲガスをコンプレッサ上流に再循環させる低圧ＥＧＲ装置に比べ、応答性が良好であると共に、コンプレッサやインタークーラにＥＧＲガス中に含まれる煤やオイル等の付着を防止できる利点がある。

しかしながら、高圧ＥＧＲ装置には、リードバルブが耐久性の劣化等により破損、或は高硫黄燃料等の使用により腐食すると、ＥＧＲを適宜作動できなくなる課題がある。また、高圧ＥＧＲ装置においては、リードバルブがＥＧＲガスの流通抵抗となって排気側圧力の上昇を妨げ得るため、過給圧を調整できない所謂コンベンショナルターボチャージャを搭載したエンジンには適さない課題もある。

本開示の技術は、高過給時においても、ＥＧＲガスを吸気系に効果的に再循環させることができる高圧ＥＧＲ装置を提供することを目的とする。

本開示の技術は、エンジンの吸気通路と、前記エンジンの排気通路と、前記排気通路に設けられた第１タービン及び、前記吸気通路に設けられた第１コンプレッサを含む第１ターボチャージャと、前記排気通路から分岐すると共に、前記第１コンプレッサよりも下流側の前記吸気通路に合流して、排気ガスの少なくとも一部を前記吸気通路に再循環させる再循環通路を含む排気再循環装置と、前記第１タービンよりも下流側の前記排気通路に設けられた第２タービン及び、前記再循環通路に設けられた第２コンプレッサを含む第２ターボチャージャと、を備えることを特徴とする。

また、前記第１タービンと前記第２タービンとの間の前記排気通路から分岐すると共に、前記第２タービンよりも下流側の前記排気通路に合流するバイパス通路と、前記バイパス通路を開閉可能なバルブと、前記バルブの開閉を制御する制御手段と、をさらに備え、前記制御手段は、前記排気再循環装置の非作動時に前記バルブを全開に制御して排気ガスを前記第２タービンから迂回させるものでもよい。

また、前記第２タービンよりも下流側の前記再循環通路から分岐すると共に、前記第２タービンよりも下流側の前記排気通路に合流するバイパス通路と、前記バイパス通路を開閉可能なバルブと、前記バルブの開閉を制御する制御手段と、をさらに備え、前記制御手段は、前記排気再循環装置の非作動時に前記バルブを全開に制御して再循環排気を第２タービンよりも下流側の前記排気通路に戻すものでもよい。

本開示の技術によれば、高過給時においても、ＥＧＲガスを吸気系に効果的に再循環させることができる高圧ＥＧＲ装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るエンジンシステムの一例を示す模式的な全体構成図である。本発明の一実施形態に係るエンジンシステムにおいて、（Ａ）はＥＧＲ作動時の排気ガス流れ、（Ｂ）はＥＧＲ非作動時の排気ガス流れを説明する図である。本発明の他の実施形態に係るエンジンシステムの一例を示す模式的な全体構成図である。

以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係るエンジンシステムを説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称及び機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１に示すように、ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１０には、吸気マニホールド１１及び、排気マニホールド１２が設けられている。吸気マニホールド１１には吸気通路２０が接続され、排気マニホールド１２には排気通路３０が接続されている。

吸気通路２０には、吸気上流側から順に、エアクリーナ２１、第１ターボチャージャ４０の第１コンプレッサ４２、インタークーラ２２等が設けられている。

排気通路３０には、排気上流側から順に、第１ターボチャージャ４０の第１タービン４１、第２ターボチャージャ５０の第２タービン５１、排気後処理装置９０等が設けられている。また、排気通路３０には、第１タービン４１と第２タービン５１との間から分岐すると共に、第２タービン５１と排気後処理装置９０との間に合流して、排気ガスを第２タービン５１から迂回させるバイパス通路３１が接続されている。

バイパス通路３１には、排気の流路を開閉可能なバイパスバルブ３２が設けられている。バイパスバルブ３２は、例えば、バタフライバルブ等であって、その開閉動作を電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ）１００からの指示信号に応じて制御される。

高圧ＥＧＲ装置６０は、第２タービン５１よりも下流側の排気通路３０から分岐すると共に、インタークーラ２２よりも上流側の吸気通路２０に合流するＥＧＲ通路６１を備えている。また、ＥＧＲ通路６１には、上流側から順に、第２ターボチャージャ５０の第２コンプレッサ５２、ＥＧＲクーラ６２、ＥＧＲバルブ６３が設けられている。ＥＧＲバルブ６３の開度はＥＣＵ１００からの指示信号に応じて制御される。

第１ターボチャージャ４０は、排気ガスにより回転駆動する第１タービン４１と、第１タービン４１と同軸に設けられて吸気を圧送する第１コンプレッサ４２とを備えている。

第２ターボチャージャ５０は、第１タービン４１を通過した排気ガスにより回転駆動する第２タービン５１と、第２タービン５１と同軸に設けられてＥＧＲガスを圧送する第２コンプレッサ５２とを備えている。本実施形態において、第２コンプレッサ５２は、高温且つ煤やオイルを含むＥＧＲガスに晒されるため、好ましくは、第１タービン４１や第２タービン５１と同様の耐熱性・耐久性の高い超耐熱合金やセラミックス等で形成されている。

ＥＣＵ（制御手段）１００は、エンジン１０等の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵ１０１やＲＯＭ１０２、ＲＡＭ１０３、入力ポート、出力ポート等を備えて構成されている。これら各種制御を行うため、ＥＣＵ１００には、エンジン回転数センサ７０やアクセル開度センサ７１等の各種センサ類のセンサ値が入力される。

また、ＥＣＵ１００は、高圧ＥＧＲ装置６０の作動も制御する。より詳しくは、ＥＣＵ１００のメモリには、予め作成したエンジン１０の運転状態と、ＥＧＲの作動領域との関係を規定したＥＧＲマップ（不図示）が記憶されている。ＥＣＵ１００は、エンジン回転数センサ７０やアクセル開度センサ７１によって検出されるエンジン１０の運転状態がＥＧＲマップの作動領域にある場合には、バイパスバルブ３２に全閉指示信号を出力すると共に、ＥＧＲ率が運転状態に応じた所望の目標ＥＧＲ率となるように、ＥＧＲバルブ６３を所定の開度に開く指示信号を当該ＥＧＲバルブ６３に出力する。

このように、各バルブ３２，６３の開度が制御されると、図２（Ａ）に示すように、第２タービン５１が排気ガスによって回転駆動すると共に、ＥＧＲガスが第２コンプレッサ５２によって加圧されて圧送されるようになる。これにより、エンジン１０の高過給運転状態においても、排気側圧力を吸気側圧力よりも高く維持することが可能となり、ＥＧＲガスを吸気通路２０に効果的に還流させることができる。

一方、ＥＣＵ１００は、エンジン回転数センサ７０やアクセル開度センサ７１によって検出されるエンジン１０の運転状態がＥＧＲマップ（不図示）の作動領域にない場合には、バイパスバルブ３２に全開指示信号を出力すると共に、ＥＧＲバルブ６３に全閉指示信号を出力する。

このように、各バルブ３２，６３の開度が制御されると、図２（Ｂ）に示すように、ＥＧＲガスの還流及び第２ターボチャージャ５０の駆動が停止されると共に、排気ガスは第２タービン５２を経由することなくバイパス通路３１を通過して排気後処理装置９０に直接的に流されるようになる。

以上詳述したように、本実施形態のエンジンシステムによれば、ＥＧＲ作動時は排気ガスで駆動する第２ターボチャージャ５０によってＥＧＲガスを加圧して圧送することで、排気側圧力が吸気側圧力よりも高く維持されるようになる。これにより、ブースト圧が上昇するエンジン１０の高過給運転状態においても、ＥＧＲガスを吸気通路２０に確実に還流させることが可能になる。また、ＥＧＲ用の第２ターボチャージャ５０を備えることで、ＥＧＲ通路６１からリードバルを廃止することが可能となり、リードバルブの破損や腐食等を起因とするシステム故障（機能停止）を効果的に防止することができる。

また、ＥＧＲ非作動時は、排気ガスをバイパス通路３１に流通させて第２タービン５１から迂回させることで、排気後処理装置９０に流れ込む排気ガスの温度低下及び、これに伴う触媒温度の低下を抑止することが可能となり、排気エミッションの悪化を効果的に抑制することができる。

また、高温且つ異物（煤やオイル）を含むＥＧＲガスに晒される第２コンプレッサ５２を耐熱性・耐久性の高い超耐熱合金やセラミックス等によって形成することで、システムの耐久性を効果的に向上することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、図３に示すように、バイパス通路３１は、第２コンプレッサ５２よりも下流側のＥＧＲ通路６１から分岐すると共に、第２タービン５１よりも下流側の排気通路３０に合流するように設けることもできる。この場合は、ＥＧＲ非作動時に、バイパスバルブ３２を全開に制御して、ＥＧＲガスを排気通路３０に戻すようにすればよい。

また、第１ターボチャージャ４０や第２ターボチャージャ５０は、可変容量型タイプ又はコンベンショナルタイプの何れであってもよい。第２ターボチャージャ５０を可変容量型とすれば、ＥＧＲガス圧の過度な上昇をコントロールすることができる。

また、ＥＧＲ通路６１が排気通路３０から分岐する位置は、図示例の第２タービン５１よりも下流側に限定されず、第１タービン４１よりも上流側又は、第１タービン４１と第２タービン５１との間の排気通路３０であってもよい。

また、エンジン１０はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジン等の他のエンジンにも広く適用することができる。

１０エンジン
１１吸気マニホールド
１２排気マニホールド
２０吸気通路
２１エアクリーナ
２２インタークーラ
３０排気通路
３１バイパス通路
３２バイパスバルブ
４０第１ターボチャージャ
４１第１タービン
４２第１コンプレッサ
５０第２ターボチャージャ
５１第２タービン
５２第２コンプレッサ
６０高圧ＥＧＲ装置
６１ＥＧＲ通路
６２ＥＧＲクーラ
６３ＥＧＲバルブ
１００ＥＣＵ

Claims

エンジンの吸気通路と、
前記エンジンの排気通路と、
前記排気通路に設けられた第１タービン及び、前記吸気通路に設けられた第１コンプレッサを含む第１ターボチャージャと、
前記排気通路から分岐すると共に、前記第１コンプレッサよりも下流側の前記吸気通路に合流して、排気ガスの少なくとも一部を前記吸気通路に再循環させる再循環通路を含む排気再循環装置と、
前記第１タービンよりも下流側の前記排気通路に設けられた第２タービン及び、前記再循環通路に設けられた第２コンプレッサを含む第２ターボチャージャと、を備える
ことを特徴とするエンジンシステム。
前記第１タービンと前記第２タービンとの間の前記排気通路から分岐すると共に、前記第２タービンよりも下流側の前記排気通路に合流するバイパス通路と、
前記バイパス通路を開閉可能なバルブと、
前記バルブの開閉を制御する制御手段と、をさらに備え、
前記制御手段は、前記排気再循環装置の非作動時に前記バルブを全開に制御して排気ガスを前記第２タービンから迂回させる
請求項１に記載のエンジンシステム。
前記第２タービンよりも下流側の前記再循環通路から分岐すると共に、前記第２タービンよりも下流側の前記排気通路に合流するバイパス通路と、
前記バイパス通路を開閉可能なバルブと、
前記バルブの開閉を制御する制御手段と、をさらに備え、
前記制御手段は、前記排気再循環装置の非作動時に前記バルブを全開に制御して再循環排気を第２タービンよりも下流側の前記排気通路に戻す
請求項１に記載のエンジンシステム。